先进聚合物基复合材料(APC)是实现航空航天装备轻量化的重要结构材料，而制造效率低、成本高、耗能严重等因素阻碍了APC的进一步扩大应用。电阻植入焊(RIW)技术具有设备简单、效率高、节能环保、适合大型曲面结构连接等优点，是能够替代传统的胶接工艺实现APC结构件的绿色制造、再制造、循环利用的革新性技术之一。本文综述了APC电阻植入焊工艺及应用技术的研究进展, 介绍了APC电阻植入焊技术面临的挑战, 系统归纳总结了热塑性复合材料RIW原理、电阻植入体类型、焊接工艺参数优化、热固性复合材料RIW原理以及RIW在大型APC结构件制造中的应用技术等, 指出了APC的RIW目前存在涉及材料设计、工艺优化和夹具制造等方面的问题。在未来，热塑性复合材料(TPC)结构的RIW技术相关的研究有望集中在发展更高强度的焊接黏结剂、设计新型结构的发热元件(HE)和改善黏结剂与HE的界面结合强度等方面，以提高接头的承载能力；加强RIW接头力学本构模型、疲劳强度以及服役寿命的研究；针对特定APC部件开展焊接设备和夹具的研究，推动RIW工程化，填补国内在该方面的空白。

与传统的胶接和机械连接相比,超声波焊接(USW)技术为纤维增强树脂基复合材料(FRPC)结构成形制造提供了一种新的经济高效连接方法。本文首先介绍了FRPC的USW装置系统、工艺过程和焊接原理,系统分析了热塑性复合材料(TPC)USW的工艺参数、导能筋结构类型等对焊接头质量的影响规律及作用机制,讨论了热固性复合材料(TSC)USW技术的实现途径及影响TSC-TSC,TSC-TPC焊接头质量的关键因素;然后评述了满足大型复杂FRPC结构制造要求的连续USW技术及设备发展现状;最后,总结了FRPC的USW技术在国外航空和汽车领域中的工程应用情况,并了解到国外已完成了USW技术的工程验证,而我国FRFC的USW技术研究尚处于起步阶段。因此,发展FRTP的USW技术成为现阶段实现大规模装配CFRTP零部件的关键技术之一,也是未来飞机制造技术的一项长期任务。

热塑性复合材料(TPC)感应植入焊(IIW)是一种利用TPC层合板搭接区域植入的电磁感受加热元件在高频交变磁场作用下自发热,使界面区域热塑性树脂熔融黏合,从而实现TPC结构连接的新技术。该技术具有操作简单、绿色高效、非接触等优点,近30年来受到工业部门的广泛关注。本文围绕TPC的IIW焊接工艺,系统地介绍产热机理、加热效应、工艺参数等对焊接头质量的影响;重点阐释了引起焊接区域温度不均匀的原因,提出了调控焊接区域温度分布的方法,揭示温度场均匀性与焊接头质量的关系;最后讨论了在参数优化中缺少准确的产热传热温度场模型以及实际生产中缺少适配大型TCP结构焊接专门设备的问题,为IIW技术的未来发展方向提供了一定的指导。

超声波塑料焊接是一种高效、绿色的焊接方法,近年来被广泛应用于碳纤维增强热塑性复合材料(carbon fiber reinforced thermoplastic, CFRTP)的连接。焊接接头的设计是CFRTP超声波焊接的关键环节。针对这一环节,提出了一种基于表面结构化的CFRTP超声波焊接方法,即在焊接之前通过超声波压印的方式将母材表面结构化,加工出导能筋。以碳纤维增强尼龙66(CF/PA66)为研究对象,对表面结构化后的CF/PA66进行超声波焊接,研究焊点形成过程,并对焊接接头微观组织进行观察,测试接头拉伸剪切性能,分析接头断裂机制和断口特征。结果表明,相比无结构化的CFRTP超声波焊接,通过超声波压印对母材表面进行结构化所加工出来的导能筋能有效地集中能量,降低焊点分布的随机性和分散性,提高焊接接头的质量。此外,对待焊工件的两个表面均进行结构化处理,可以得到缺陷更少的焊接接头。

碳纤维复合材料(CFRP)广泛应用于航空航天领域,高效连接技术是影响CFRP构件制造成本和使用安全的关键因素之一。利用超声焊技术对碳纤维增强聚醚酰亚胺树脂基复合材料(CF/PEI)进行焊接,采用单搭接剪切强度(LSS)测试研究了超声焊接压力和焊接时间对复合材料超声焊接头强度的影响,利用扫描电镜对断面微观形貌进行表征;并对实验数据进行线性拟合分析,结合BP神经网络与遗传算法对时间和压力参数进行优化并预测接头强度;最后研究了保压时间对接头强度的影响机理。结果表明:当焊接时间为2.5 s,焊接压力为0.45 MPa时,LSS达到最大值为25.6 MPa,较高的焊接强度是由于接头表面形成致密稳定的结构所致;BP神经网络将实验数据细化,遗传算法模拟出的LSS值为24.8 MPa,与实验结果误差仅为3%;随着保压时间的增加,超声焊接头强度呈现先快速增大后趋于稳定的变化趋势,当保压时间为5 s,时焊接界面处的熔融树脂基本固化完全,PEI树脂与碳纤维形成致密结构,焊接头强度达到稳定。

等离子-物理气相沉积(PS-PVD)具有涂层多结构调控的特性,为高隔热、长寿命热障涂层的制备提供可能,是实现未来高性能航空发动机发展的关键技术之一。PS-PVD柱状结构涂层独特的微观结构使其兼具高隔热和热循环寿命长的双重优势,在航空发动机热障涂层领域有着广阔的应用前景。但PS-PVD柱状结构涂层工艺调控是在大量的实验基础上实现的,缺少相关的理论研究,而且高孔隙率的柱状结构涂层面临的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS)腐蚀失效问题仍然限制着涂层的使用。本文从涂层结构特征入手,阐述了沉积单元相态对涂层结构的影响规律,揭示了柱状结构涂层的气相沉积机理。在此基础上分析了涂层结构的工艺影响,并基于涂层材料在射流内的相态转变,从理论层面阐明了工艺参数调控的本质。此外,分析了PS-PVD柱状结构涂层CMAS腐蚀失效机理,阐述了表面镀铝改性对涂层抗CMAS腐蚀性能的影响机制,并对PS-PVD涂层结构调控和性能提升以及PS-PVD技术在环境障涂层和功能薄膜等领域的应用进行了展望。

热障涂层(TBC)材料是为航空发动机及燃气轮机提供热防护,延长其使用寿命的一种重要材料。近年对新型热障涂层材料的探索中出现各类高熵稀土氧化物,以期通过热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应以及性能上的"鸡尾酒"效应获得优于单主元稀土氧化物的热学、力学、高温相稳定性及抗烧结腐蚀等性能。本文总结归纳了高熵稀土锆酸盐、铈酸盐、铪酸盐、钽酸盐及铌酸盐等五种高熵稀土氧化物的热学性质、力学性质及其他性质,着重强调了热导率和热膨胀系数,同时与相应单组分稀土氧化物的性能进行对比分析,探究影响其性能优劣的多种因素。最后指出未来或可将实验与第一性原理计算相结合,筛选出综合性能更加优异的高熵陶瓷热障涂层材料;同时,将高熵延伸至复杂组分或中熵陶瓷热障涂层材料也成为重要的拓展方向。

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。

镁合金凭借其优异的生物安全性、生物诱导性、生物相容性及可贵的自降解性能,在骨植入及心血管支架领域具有广泛的临床应用前景。本文从合金化、制备方法、热处理及表面改性这四方面系统综述了近年来医用镁合金的研究进展,重点分析了各种工艺及表面改性方法的基本原理、技术优劣势,总结了它们对镁合金组织、性能的影响。针对镁合金临床应用的瓶颈,提出医用镁合金植入材料的最佳发展策略:一方面,通过合金化、制备方法及热处理三种工艺的协同耦合实现与自然骨组织力学行为的有效匹配;另一方面,通过表面改性处理实现对镁合金降解速率的精准调控。通过两种或多种表面改性技术的组合与交互来实现多功能性需求将成为未来镁合金表面改性技术的主要演进趋势。

有机润滑型表面是一种润滑层与基底相结合的新型表面，因其较低的黏附力在防/除冰领域受到了广泛关注。本文简述了有机润滑型表面的设计原则和防/除冰机理，分析了表面耐久性问题；主要介绍了不同类型有机润滑型防/除冰表面的功能及其优缺点；最后建议将多种防/除冰策略与有机润滑型表面结合来设计新型防/除冰表面，实现外部低温环境中的长期使用。针对新型有机润滑型表面及其在防/除冰领域的应用，如何延长其使用寿命并实现户外裸露表面的全天候防/除冰是未来发展的方向之一。

催化剂对氧还原反应(ORR)起到至关重要的作用。近年来,人们为寻找可替代Pt金属的高性能非贵金属催化剂付出了诸多努力。过渡金属氧化物作为具备优异ORR催化活性的催化剂之一,成本低廉、储量丰富,在ORR催化领域具有巨大潜力,因而引起广泛的研究。但由于大部分过渡金属氧化物导电性差,极大地阻碍了其催化活性,所以将其负载于合适的载体上,对提高ORR性能有重要意义。石墨烯以其独特的电子特性、优异的导电性以及其他良好的物理、化学性质被广泛作为载体使用。本文综述了石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂的研究进展,主要从石墨烯载体分类、制备方法、过渡金属氧化物分类等多角度讨论了该类催化剂在ORR中的应用及发展前景,指出石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂应致力于将开发杂原子掺杂石墨烯作为载体、复合金属氧化物作为活性物质的主要发展方向,并趋向于降低制备工艺的能耗和周期,提高催化剂的性能,达到降本增效的目的。

通过化学气相渗透(CVI)工艺在典型国产SiC纤维表面沉积BN涂层,并在800~1200 ℃的氧化环境下处理1 h。对涂覆BN涂层的SiC纤维氧化后的形貌、结构以及成分进行表征,通过单丝拉伸强度评价涂覆BN涂层的SiC纤维氧化后的性能变化。结果表明,氧化温度低于1000 ℃时,BN涂层及其氧化物层能够有效阻止O₂对内部SiC纤维的侵蚀,高于此温度时,SiC纤维被氧化。随着氧化温度的升高,涂覆BN涂层的SiC纤维表面氧化物经历α-B₂O₃→SiC_xO_y→非晶SiO₂的历程。涂覆BN涂层的SiC纤维单丝拉伸强度随着温度的升高呈衰减趋势,且BN涂层直接暴露在氧化环境下反而降低SiC纤维的抗氧化能力。纤维断裂的失效源先由BN涂层缺陷过渡为B₂O₃氧化层缺陷最终演变为SiO₂氧化层气孔缺陷。

在粒径为0.5 μm的超细碳化钨(WC)粉体表面包覆钴(Co)纳米颗粒获得细WC/Co,将细WC/Co、粗WC和Co粉通过球磨混合均匀,压制成型后在1420 ℃下真空烧结1 h,得到WC-10Co硬质合金。借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、万能试验机等对比研究细WC/Co和超细WC对WC-10Co硬质合金微观形貌和力学性能的影响。结果表明:相比于超细WC,细WC/Co促进合金的致密化,并形成双晶结构。添加细WC/Co和超细WC制备的硬质合金的平均晶粒度分别为2.18 μm和3.57 μm。细WC/Co的添加会降低晶粒生长速度并抑制细晶完全溶解,而粗晶通过缺陷辅助生长及溶解-析出生长机制生长为表面阶梯状的缺角三棱柱形;硬质合金的硬度和断裂韧度得到提升,二者分别为1131HV₃₀和22.1 MPa·m^1/2,而在1131HV₃₀同等硬度下,其断裂韧度比线性拟合的断裂韧度高27.7%。机理分析认为,超细WC的添加会导致异常晶粒产生,不利于性能;而细WC/Co的添加能够同时形成双晶结构和均匀的钴相分布结构,降低晶粒缺陷,提升综合力学性能。

传统的耐磨钢铁材料难以满足现代矿山装备对关键耐磨部件的需求,陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料成为最具良好应用前景的耐磨材料之一。通过预烧结获得不同体积分数及不同颗粒大小的陶瓷预制体,结合铸渗法制备出氧化锆(ZrO₂)增韧氧化铝(Al₂O₃)陶瓷颗粒增强高铬铸铁(HCCI)基复合材料。结果表明:随着ZTA(ZrO₂增韧Al₂O₃)颗粒体积分数(25%~45%)的增加,ZTA颗粒等效直径(1.7,1.2,0.4 mm)减小,复合材料抗冲击磨损性能随之提高,以颗粒体积分数为45%、等效粒径为0.4 mm时最佳。ZTA_p/HCCI复合材料的主要磨损特征是磨损面发生微切削,其主要磨损机制是磨料磨损。

以NbC和无定形B粉为原料,采用放电等离子烧结(SPS)法在2000 ℃/50 MPa条件下制备B₄C-NbB₂复相陶瓷,研究摩尔分数为0.1的TiC或ZrC替代NbC对复相陶瓷物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明:以0.1的TiC或ZrC替代NbC后,反应烧结形成的TiB₂,ZrB₂可与NbB₂分别固溶形成Nb_0.9Ti_0.1B₂,Nb_0.9Zr_0.1B₂相。Ti,Zr固溶可有效提升复相陶瓷的烧结致密度,细化组织,获得优异的力学性能,且Zr固溶产生的效果更佳。B₄C-Nb_0.9Zr_0.1B₂复相陶瓷的致密度、三点抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度分别为99.5%,676 MPa,31.0 GPa和5.5 MPa·m^1/2。致密度的提高、固溶强化和细晶强化是复相陶瓷性能提升的主要原因。

建立了考虑非均匀温度场影响的复合材料曲板残余应力和固化变形的有限元预测模型,模拟了三维机织复合材料曲板的RTM成型过程,分析了成型过程中曲板温度、固化度及内应力的分布与变化。结果表明,在成型过程中曲板会形成非均匀的温度场和内应力场。温度场的均匀性对曲板变形有较大的影响,若不考虑非均匀温度场的影响会使误差增大10%~15%。使用RTM工艺制备了三维机织复合材料曲板并采用热电偶对成型过程中曲板内部的温度进行监测,利用工业光学扫描仪对曲板的固化变形进行测量。预测结果与实验结果吻合较好,验证了所建立数值模型的准确性,同时还分析了固化温度和厚度对固化变形的影响。

NiO是一种常见的电致变色材料,元素掺杂改性是改善NiO薄膜电致变色性能的重要方法。以离子液体为介质,采用电沉积法制备Cu掺杂NiO薄膜,并研究Cu元素掺杂对NiO薄膜电致变色性能的影响。结果表明:Cu掺杂NiO薄膜的电致变色性能相较于纯NiO薄膜有明显提升。Cu掺杂含量为6％(原子分数,下同)时,薄膜光调制范围最大,为54.7％,着色效率最高,为61.54 cm²/C,Cu掺杂含量为12％时,薄膜的着褪色响应时间最短,分别达到2.7 s与2.6 s。薄膜的物相结构为面心立方晶相Ni_1-xCu_xO,由纳米粒子堆积而成,表面存在大量利于离子扩散的孔隙。

与Nb同族的V元素离子半径略小于W离子的半径,掺杂V元素可以提高氧化钨纳米线的离子扩散速率和结构稳定性。采用磁控溅射法和水热法制备V掺杂氧化钨纳米线薄膜,并通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜、X射线光电子能谱和电化学测量装置探究不同V掺杂量对样品形态、成分以及电致变色性能等方面的影响。结果表明:通过适当的V掺杂,样品的光学性能得到了提升。当V掺杂量为0.1%(原子分数)时,氧化钨薄膜表现出最佳的电致变色性能。晶面间距、V—O键的加强和氧空位浓度等因素是影响氧化钨薄膜电致变色性能的关键因素。本工作将为V掺杂氧化钨纳米线结构作为电致变色材料和器件的研究提供有益参考。

为揭示感应熔覆原位TiC/Ti复合涂层微观结构与力学性能的对应关系,利用单一纳米压痕测试方法研究涂层内不同相结构的纳米力学性能变化规律,利用点阵压痕测试方法研究涂层微区结构的力学性能。单一压痕结果显示原位TiC增强相的纳米压痕硬度和弹性模量分别为21.3 GPa和275 GPa,富α-Ti与富β-Ti区域的基质相平均纳米硬度分别为4 GPa和6 GPa,平均弹性模量分别为130 GPa和155 GPa。点阵压痕与单一压痕测试结果之间具有较好的对应关系,对点阵纳米压痕测试结果进行三峰高斯拟合得到的最小峰值代表了涂层基质相的力学性能,中间峰值反映涂层的综合力学性能,最大峰值因受增强体尺寸与压痕位置的影响低于原位TiC增强体的真实力学性能。在考虑涂层微观结构与增强体尺寸的情况下,通过合理设置点阵压痕测试条件,选择适当的测试区域,可以在获得原位钛基复合涂层不同相结构真实力学性能的同时,揭示涂层的综合性能。

在不同的加热温度下,采用不同尺寸的坯料并利用连续挤压工艺进行6063铝合金包AZ31镁合金复合材料的制备,获得尺寸为5 mm的复合棒材。通过扫描电镜(SEM)、金相显微镜以及万能拉伸试验机等分析手段对制备的复合棒材进行微观组织分析和力学性能测试。结果表明:连续挤压工艺可显著细化复合棒材镁芯的晶粒。坯料在室温挤压时,镁芯的平均晶粒尺寸为15.4 μm,复合棒材的抗拉强度为141.4 MPa,伸长率为6.6%。加热温度升高至450 ℃时,镁芯晶粒开始长大,复合棒材的抗拉强度略有下降,伸长率提高到10%。随着镁芯直径增大,组织均匀性和晶粒细化效果提高,平均晶粒尺寸为12.8 μm。在连续挤压过程中,铝镁之间发生相互扩散,产生硬度较高的铝镁结合层,结合层最大厚度为4.8 μm。利用Deform有限元软件模拟连续挤压过程中的材料流动,得到了Al和Mg的温度与应变分布,有助于分析连续挤压过程中复合棒材的组织演变。

为了提高黄铜的耐蚀性能,对其表面进行等离子体电解氧化,并分析Na₂SiO₃电解质浓度对氧化膜层性能的影响。调配以Na₂SiO₃·9H₂O,NaOH为主要成分的电解液,设置正向电压为520 V、正向电流1.4 A、脉冲频率2000 Hz、正负占空比20%,对黄铜试件进行80 min的等离子体电解氧化。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度测量仪、涡流测厚仪、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、百格刀附着力测试仪、电化学工作站(动电位极化曲线),研究Na₂SiO₃浓度对氧化膜层的微观形貌、厚度、粗糙度、化学组分、结合力及耐蚀性能的影响。结果表明:膜层表面的化学组分是以Cu,Zn,O,Si等元素组成,并以金属氧化物和非晶二氧化硅的形式存在;随着Na₂SiO₃浓度的升高,膜层表面的微孔数量逐渐增多,孔洞尺寸和分布越来越均匀,膜层厚度先增大后减小,表面粗糙度值先减小后增大;然而过大的Na₂SiO₃浓度,等离子体电解氧化反应加剧,表面出现熔解现象,膜层质量不升反降。等离子体电解氧化能够有效提高黄铜的表面性能,当Na₂SiO₃浓度为8 g/L时,氧化膜层结合力和耐蚀性能最好,其自腐蚀电流密度与基体相比,下降了2个数量级。

在变形温度为750~1000 ℃、应变速率为0.01~10 s^-1条件下,对铸态BFe30-1-1铜镍合金进行了热压缩实验。综合分析摩擦和温升对合金流变应力的影响,利用修正后的流变应力曲线构建了BFe30-1-1铜镍合金的Arrhenius双曲正弦函数本构关系模型,基于动态材料模型构建合金的热加工图,研究合金热变形过程中的组织演变规律。结果表明:合金的峰值流变应力随着变形温度的降低或应变速率的增加而升高,摩擦和温升能够显著影响合金的真应力-真应变曲线,热变形过程中发生了动态再结晶,本研究构建的合金本构关系模型对峰值应力的预测值与修正后实验值的平均相对误差仅为3.77%,能够准确地预测合金在不同热变形条件下的流变应力。结合热加工图和微观组织分析,合金的较合理的热塑性变形工艺区间为变形温度900~1000 ℃、应变速率0.04~0.16 s^-1,在该变形条件下热压缩后的样品可获得更多的动态再结晶组织。